双能成像技术的最新进展

张唯唯，张华

东芝医疗系统（中国）有限公司科研培训中心 CT研究室

双能成像技术的最新进展

张唯唯，张华

东芝医疗系统（中国）有限公司科研培训中心 CT研究室

自从CT发明后，能谱信息就开始被用来对物质进行区分和描述。为了实现一台双能CT，其设计需要满足对放射源和探测器的要求，本文简单介绍了目前市场上三款双能CT，并着重观察这三种不同设计的双能CT对扫描剂量的影响。

双能CT；双源CT；快速kVp切换；旋转kVp切换

0 前言

双能CT的研究和使用最早可以追溯到20世纪70年代中后期，CT之父Hounsfield在1973年就提出“在同一层面采集两幅图像，一幅使用100 kV，另一幅使用140 kV……原子序数Z高的区域则因此被增强了。目前的实验中亦显示出碘Z=53能够清晰地从钙Z=20中区分开来”[1]。这短短的几句话点出了双能CT的一大特征：物质区分（material differentiation）[2]，也为能谱分析奠定了基础。后来，有的学者和工程师们甚至把设计一款理想的双能CT归纳为满足“同源、同时、同向”的“三同条件”。在实验室条件下，这些条件相对来说比较容易满足，因为用来做实验的水模和体模本身可以固定不动，只需要在同一层面用双能采集，就可以近似的看作是同一被测物体在同一放射源下同时采集到的双能数据。但是，在进一步的人体试验中，则遇到了很大的挑战。由于早期设备的CT密度值稳定性较差，扫描时间长，病人的运动引起伪影，空间分辨率不足及图像后处理的困难等等[3]，而无法广泛地应用于临床，甚至销声匿迹很长一段时间。

可以说，正是这个“三同条件”一直困扰着许多学者和CT制造者，为了实现一台可用于临床的双能CT，不得不做出一定的妥协。下面，我们从物理角度来看设计一台能满足临床需求的双能CT需要具备什么样的基本条件，并着重观察不同设计的双能CT对扫描剂量的影响。

1 双能CT的实现方法

首先，X射线源需要提供不同能量的X射线量子（X-ray quanta），并且能谱（spectrum）之间的重叠越少越好（两能谱如果重叠的多，说明他们相似度大，平均光子能量（keV）类似，相当于用同一能量进行两次扫描，所以物质区分的效果就不会好）。为了减少重叠最好的办法就是增大两次扫描中峰值管电压（kVp）的差别（图1）。一般来说，双能采集中的高、低管电压会分别设置在80 kVp和140 kVp。这是由于低于80 kVp的时候，多数的量子被人体吸收而无法打击在探测器上；而高于140 kVp时，大量剩余量子通过人体直接打击在探测器上造成软组织对比不好。要想产生两种不同能量的X射线，则可以使用两个球管，每个球管使用不同的管电压。另外，也可以使用同一个球管，令它能够在高、低管电压之间自由地切换。

另外，可以从探测器角度出发，使它能够区别不同能量的X射线量子。一种设想是采用双层或“三明治”探测器，使每层探测器对不同能量的光子有最大的敏感性及吸收（过滤）。这是一条比较难以实现的条件，因为目前多数的CT探测器是在每单个读出间隔（readout interval）中对所有被探测到的光子进行荧光强度整合，而不对他们的能量进行区分。因此，要想实现这一构想，必须对现有的探测器材料进行较大的革新，目前尚未能应用到临床上。

图1 高、低两能谱示意图

第二，双能采集到的图像需要精确的匹配（registration）或对位。这个要求是从图像后处理的角度考量的，因为在物质分解等的处理方法中，需要双能图像体素对体素的对应（voxel-to-voxel correspondence）。另外，在利用双能图像对比来观察病灶时，准确的对位对诊断也有一定辅助作用。关于对位的要求，可以从两个方面满足，一个是从CT系统的硬件，比如提高旋转时间（rotation time），就能在很短的时间内冻结物体的运动，一定程度上保证了对位。目前CT的旋转时间已经非常快，但不能无限制地缩短时间，因此，另外一个方法是从软件上实现精确的对位，比如使用3D非刚性匹配（3D nonrigid registration）。但是这样的软件需要大量的数据处理，因此也增加了双能图像重建的时间。

这两个要求是设计一台双能CT首先要考虑到的，也直接影响到他们的性能和由之带来的扫描剂量的问题。而第三个条件，要求被研究的物质或组织的能谱属性有足够大的差别。这点在临床应用上已经普遍使用，比如，对比剂碘的增强成像。只是在单能CT上，碘的密度分布图不容易被单独分离出来，双能CT使用物质分解的后处理办法，如基本物质分解（basis material decomposition）[4]和三物质分解（three material decomposition）[5]，把碘的密度图单独提取出来，更加有效和直观地观察被增强的组织中碘的密度分布（如果还能动态地观察碘的密度分布，对评价器官的灌注非常有诊断价值），并在不增加扫描的情况下虚拟出平扫图像（virtual non-contrast image）。下面我们由前两个条件出发针对三种双能CT的设计进行介绍。

1.1 双源CT

该设备的特点是在同一个机架内设置了两套图像采集系统，每套图像采集系统拥有各自的球管，高压发生器，探测器和控制系统，只有降温系统和图像重建系统是彼此共享的，如图2所示。

图2 双源CT系统示意图

由于两套独立采集系统的设置，两个球管可以分别在不同的管电压和管电流下操作，并且独立地采集和进行图像重建。管电压和管电流自由的调节可以使两个采集到的图像达到可能一致的噪声水平，因此来自两个探测器之间的投影数据亦有可能拼加在一起。

双源CT系统的设计也会带来一些实际运用中的弊端。由于机架的尺寸和内部空间的限制，两个探测器很难达到一致的尺寸。在第一代双源CT系统中，大的探测器能提供500 mm的视野（FOV, field of view），而小的探测器仅能提供268 mm的FOV。在第二代双源CT系统中，两个球管之间的夹角从90°增加到95°，小的探测器视野提高到了332 mm。尽管如此，大小不一的探测器尺寸或视野给图像处理及分析造成不便，特别是对体积较大的病人。

两个球管互相垂直亦会对同时激发出来的X射线带来互相干扰和交错散射效应（cross-scatter），造成射线不是直接打击到与之对应的探测器上，并会造成双能频谱重叠的增加，削弱物质区分的效果。2008年，第二代双源CT系统的发布中，锡滤线器（tin filter）被添加在高管压的管球上，从而一定程度上降低了球管之间的相互影响，如图2所示。这个滤线镜的作用首先增加了高能谱与低能谱之间的分离效果，其次使高能谱变得狭窄（未加滤线器的球管的能谱相对较宽而容易和低能谱叠加），减少硬化伪影的影响。但是，滤线镜同时减少了光子总输出的数量，因此，管电流被增加到700 mA以增加光子的输出，也增加了放射剂量。

1.2 快速kVp切换

该类型CT利用已有的高压发生器在单圈旋转内快速和频繁地切换管电压kVp，并分别在瞬时的高管电压和低管电压下采集数据，提供均为500 mm视野的双能图像，如图3所示。

电子技术，计算机技术和新材料技术的发展使得快速kVp切换技术得到继承和发展。它拥有一种复杂稀土氧化物的闪烁晶体（scintillator）为材质的探测器和高效率的数据采集系统（Data Acquisition System, DAS），成为快速kVp切换技术的物理保障。

图3 快速kVp切换技术示意图

在进行双能图像采集和分析的时候，快速kVp切换也有其不足之处。在进行双能扫描的时候, 其单圈旋转时间大约为0.9～1 s，比大多数CT单能扫描的单圈旋转时间（约为0.5 s）长。这是由于在高、低管压切换的时候有一个0.5 ms的时间间隔，加上频繁的管压切换次数，使得单圈的旋转时间延长，导致剂量的增加。虽然可以在螺旋扫描的时候通过增大螺距来削弱这种影响，但是仅有4 cm宽度的探测器对大器官的成像，如心胸部和腹部，会产生对位不准和阶梯伪影等降低图像质量的效果。

理想的双能图像采集，需要每个管电压保持在一个平稳的状态，但由于快速kVp切换的时间间隔非常短（0.5 ms），在极端采样的瞬时，同时调制出一系列高、低固定值之间切换的理想脉冲波来保持电压水平是非常困难的。这也造成了快速kVp切换时管电压实际上是受一个非理想脉冲波（曲线状或正弦波）驱动而变化的。所以，管电压在瞬时会在基准电压水平上下波动，产生不稳定的高低信号源。如果这样的波动变化加剧，会因管电压过低而无法采集到低信号，或因管压过高而采集到过多无用的高信号，对图像的重建和处理产生严重影响。另外，管电流应该自适应管电压的变化。可是，出于同样的原因，通常很难调制出与管电压值相反或相对的理想脉冲管电流。可行的办法就是让管电流保持在一个固定值而不随管电压的变化而变化，所以快速kVp切换的CT在做双能扫描的时候，不管在高管电压和低管电压下，其管电流是固定不变的。同时，为了保证在低管电压采集信号的时候，有足够的光子输出，管电流的值需要保持在一个高位。固定不变且较高的管电流值自然而然的会增加双能扫描剂量的负担。有文献指出，在双能图像质量和单能图像质量均接近的某LCD（Low Contrast Detectability）值的情况下，快速kVp切换CT对头部体模及腹部体模的双能扫描剂量最高能达到单能扫描剂量的1.5倍[6]。

图4 普通单能成像和合成单色谱成像

快速kVp切换采用了“基本物质分解”（basis material decomposition）的方法，模拟在单色谱能量（keV）下投影出来的数据并依靠计算出来的基本物质对（水和碘）的密度图“合成”出单色谱能量下的影像。由于纯单色谱的能量不包含除本身以外的其他能量，（图4）理论上，合成单色谱图能够完全移除硬化伪影。如果连续的以单色谱能量的小间隔（0.5～1 keV）为单位来合成一系列的单色谱图，就能获得多能级（100级甚至更高）的“能谱图像”。在这一系列能谱图像的不同区域选择ROI并测量其CT值，就可以把这些值通过曲线连接起来并描绘成“能谱曲线”。因为不同区域的物质有其独特的衰减系数和能谱曲线，通过观察和比较这些能谱曲线，就能起到一定的“物质区分”作用。临床上，能谱曲线甚至被运用到病灶的定性分析中，比如肿瘤的良恶性。但非常值得注意的是，这种物质区分的方法是建立在“真正和准确的单色谱CT值”的基础之上的，也就是说，合成的单色谱图像不能有硬化伪影和混合能量的存在，否则ROI内的组织就不能真正和准确地反映其自身的衰减系数，失去物质区分和能谱分析的效果。在最近的一篇文献中[7]，已经有学者指出，通过对已知模体CT值测量结果的比较中，发现快速kVp切换CT的合成单色谱CT值不准确。另外，在低keV下, 被测量材料的合成单色谱CT值仍然挂靠了大量周边的材料和物质，显示出其CT值并非出自真正的单色谱态（图5）。在试验结果中[9]，可以清楚看到使用Brooks的方法后（也是快速kVp切换CT采用的基本物质分解的处理方法），合成单色谱图仍存在大量的硬化伪影。综上所述，快速kVp切换的双能采集会增加扫描剂量，对能谱图像的处理也不理想。

图5 三种基本物质分解方法的效果比较（图像摘取自[9]）

1.3 旋转kVp切换

旋转kVp切换是（图6）一种相对较新的技术，与快速kVp切换不同的是kVp的切换不是在单圈内完成，而是在连续的扫描中每圈以高或者低kVp来扫描，并在每圈旋转中保持kVp不变。

图6 旋转kVp切换CT示意图

旋转kVp切换对于宽体探测器和同时能采集超多层图像的CT来说是比较可行的设计。采用宽体探测器设计的CT能在不移床的条件下完成16 cm以上宽的双能图像采集，加上快速的旋转时间，最大程度保证了高低能量采集之间病人的对位。必须指出宽体探测器CT在双能切换之间会有一个大约0.5 s的间隔，虽然相对于螺旋CT来说，这个参数偏高。如果辅助精确的非刚性匹配软件，它就能充分解决时间间隔带来的对位问题，这不但确保了双能成像的图像质量，也拓宽了双能技术在大器官和运动器官的对比成像甚至功能成像上的临床应用。对采用于比较窄探测器的螺旋CT，也可以运用旋转kVp切换技术，但在每圈的旋转之中，有半圈的时间里X线处于关闭状态。这样的设计一来是为了降低剂量，增加对病人的保护（X线只是在病人背部的半圈处于开启状态，这对病人的眼睛和胸部起到很好的保护作用）；二来大大节省了因为管电压切换和双能采集之间所需要的时间差，因为他们都可以在不发射X线的那半圈中来完成。

管电流能自由地调节并且自适应管电压的变化是旋转kVp技术的另一个优势。首先，剂量会显著的降低。这是通过在高管压采取低管电流和低管电压采取高管电流的方案通过手动或自动来实现的。在自适应的部分，自动曝光技术会根据扫描部位和预扫描自动推荐最能保持图像质量，同时最节省剂量的管电流参数值。另外，双空间的快速容积迭代技术，也能应用在双能扫描协议中，进一步降低了剂量。其次，通过管电流的调节，双能图像的噪声水平也可能保持一致。一直以来在使用“图像空间”进行双能图像后处理的方法中，图像质量或噪声水平很难到达一致或近似的水平（80 kVp成像的特点是对比好，但是图像的噪声很大，不如140 kVp平滑），因此，对一些实际的临床问题，比如双能减影，虚拟平扫等，带来很大的困扰。旋转kVp切换技术通过灵活的管电流自适应调节技术，保证在最低剂量采集双能图像的同时也能匹配两者的图像质量。在物理模体实验中，双能图像和单能图像在几乎一致的噪声水平值时，双能采集所用到的剂量比单能采集还要低（图7）。由于这种有效的管电流和图像质量的自动调节，也使得他们的光子总输出能达到一致的水平，进一步减少能谱之间的重叠，增加了物质区分的能力。

图7 旋转kVp切换与剂量

2 双能CT的临床应用

自从双能CT的推出，临床上已经开发出很多成熟的应用，包括（头颈）自动去骨，去钙化斑块，虚拟平扫图像的重建，病灶中碘增强的定量分析，肺部对碘和氙分布的显示，肾结石的成分分析，痛风的显示和辨识等等。另外，双能的图像质量和显示也比单能图像更为优化，如通过混合产生的单能对等图像（120 kVp equivalent image），噪声、对比优化和提高后的图像等。由于这些更有针对性或功能性的信息可以不通过增加剂量来获取，所以他们应该在诊断中充分被重视和利用。

3 讨论

本文从物理上简述了双能CT的设计理念和成像原理，并着重介绍了三款双能CT的设计。一直以来被推崇的“同源、同时、同向”的设计理念，在制造出能实际运用在临床上的双能CT遇到很多的挑战。这三款双能CT的设计：双源、快速kVp切换和旋转kVp切换，无一不例外的需要对双能数据包分开来采集。由之带来的时间差，加上病人自主和不自主的运动，“同源、同时、同向”是不可能完全满足的。尽管如此，现有的设计还是尽最大的可能考虑到“三同条件”，特别是针对“同时、同向”这两个条件，并在图像上和临床上取得很好的效果。在放射剂量方面，能采用管电流自适应管电压变化的旋转kVp技术很好地降低了剂量，同时能优化图像质量。在临床上，除了广泛应用的物质成分分析与碘图的提取等，改善双能CT设计，发开和拓展一些能提供功能性信息和临床诊断价值的新应用，是值得进一步思考的问题。

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2012-07-22作者邮箱：zhangweiwei@toshiba-medical.com.cn